comparison of hybrid iii head response to shock tube and ... · comparison of hybrid iii head...

10
Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne McCauley, Jeffrey Levine, JeanPhilippe Dionne Abstract Fullscale explosive blast testing is too involved for routine testing of blast protective helmets. In contrast, gasdriven shock tubes are costeffective, do not require high explosives and generate repeatable shock waves, making them, at first glance, appealing for routine helmet testing. However, previous studies have demonstrated that the flow field outside a shock tube does not represent that which is generated in a freefield blast test. The objective of this paper is thus to demonstrate how this flow field difference affects headform response, given that standard methods for helmet impact attenuation involve surrogate headforms and corresponding acceleration measurements. To that end, a headform instrumented with linear accelerometers was subjected to both shock tube (headform outside the tube) and freefield explosive loading. The explosive charge and standoff distance for fullscale explosive blast testing were selected to replicate static blast parameters previously set for the shock tube testing. Preliminary findings indicate that matching peak static pressure and peak impulse with a headform outside a shock tube does not appropriately reproduce freefield explosive blast headform inertial responses in terms of acceleration, velocity and excursion time histories. Keywords Blast waves, Explosive testing, Headform, Shock tube, Head Kinematics I. INTRODUCTION Gravitydriven drop towers have long been mandated by standard methods for physical testing of helmets intended to be worn during recreational/sports, professional or transportation activities [12]. Test protocols consist of dropping an instrumented headform fitted with the subject helmet and measuring the resulting deceleration when the helmet strikes a rigid anvil. The peak deceleration value is then used as an indication of the impact protection afforded by the subject helmet. Drop tower test protocols are simple, costeffective and generate repeatable data, which makes them suitable for routine laboratory helmets evaluation during either product development or performance rating according to specific standards [3], despite the fact that no injury predictions can be made directly from these tests. Similarly, shock tubes have the potential to address laboratory needs for quick and affordable testing of the blast attenuation performance of helmets. Unlike the drop tower case however, there exists no publicly available standard protocol for shock tube testing due to the inherent complexity of blast loading, as compared to blunt impact. Previous shock tube helmet evaluations compared the pressure histories around the perimeter of military helmets mounted on a 50th percentile male Hybrid III mannequin head subjected to freefield blast waves either inside a conical shock tube [4] or outside a cylindrical shock tube [5]. While experiments whereby the headform and helmet were placed inside a conical shock tube were found to reasonably replicate freefield environments, experiments with the headform and helmet located in the exit jet of a cylindrical shock tube demonstrated significant deviations from freefield blast [6]. These studies did not, however, report any data on the inertial response of the headform itself (linear or angular accelerations), which are the metrics of choice when evaluating or comparing the effectiveness of helmets. To address this gap, the present study directly compares the dynamic responses of the same headform to equivalent (similar static overpressure and blast impulse) shock tube and freefield explosive blast loading. This preliminary study focuses on unprotected headforms to provide baseline data towards eventual blast attenuation performance evaluations of helmets. S. Maach (email: [email protected]; tel: +16139477534) is Director, B. von Rosen is a Senior Researcher and L. McCauley is a Senior Technologist, all at the Canadian Explosives Research Laboratory (CanmetCERL), Natural Resources Canada. J. Levine is a Research Engineer and J. P. Dionne is Director of Research Engineering at MedEng, Ottawa, Canada. IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017 -274-

Upload: nguyenminh

Post on 07-Jun-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading 

Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne McCauley, Jeffrey Levine, Jean‐Philippe Dionne 

Abstract   Full‐scale explosive blast testing  is too  involved for routine testing of blast protective helmets. In contrast,  gas‐driven  shock  tubes  are  cost‐effective,  do  not  require  high  explosives  and  generate  repeatable shock waves, making them, at first glance, appealing for routine helmet testing. However, previous studies have demonstrated that the flow field outside a shock tube does not represent that which is generated in a free‐field blast  test. The objective of  this paper  is  thus  to demonstrate how  this  flow  field difference affects headform response,  given  that  standard  methods  for  helmet  impact  attenuation  involve  surrogate  headforms  and corresponding acceleration measurements. To that end, a headform  instrumented with  linear accelerometers was subjected to both shock tube (headform outside the tube) and free‐field explosive  loading. The explosive charge  and  standoff  distance  for  full‐scale  explosive  blast  testing  were  selected  to  replicate  static  blast parameters previously  set  for  the  shock  tube  testing. Preliminary  findings  indicate  that matching peak  static pressure and peak  impulse with a headform outside a shock tube does not appropriately reproduce free‐field explosive blast headform inertial responses in terms of acceleration, velocity and excursion time histories.

 Keywords   Blast waves, Explosive testing, Headform, Shock tube, Head Kinematics 

 

I. INTRODUCTION 

Gravity‐driven drop towers have  long been mandated by standard methods for physical testing of helmets 

intended  to be worn during  recreational/sports, professional or  transportation activities  [1‐2]. Test protocols 

consist  of  dropping  an  instrumented  headform  fitted with  the  subject  helmet  and measuring  the  resulting 

deceleration when the helmet strikes a rigid anvil. The peak deceleration value is then used as an indication of 

the impact protection afforded by the subject helmet. Drop tower test protocols are simple, cost‐effective and 

generate repeatable data, which makes them suitable for routine  laboratory helmets evaluation during either 

product development or performance rating according to specific standards [3], despite the fact that no injury 

predictions can be made directly from these tests. 

Similarly, shock tubes have the potential to address laboratory needs for quick and affordable testing of the 

blast  attenuation  performance  of  helmets.  Unlike  the  drop  tower  case  however,  there  exists  no  publicly 

available standard protocol for shock tube testing due to the inherent complexity of blast loading, as compared 

to blunt impact. 

Previous shock  tube helmet evaluations compared  the pressure histories around  the perimeter of military 

helmets mounted  on  a  50th  percentile male Hybrid  III mannequin  head  subjected  to  free‐field  blast waves 

either  inside a conical shock  tube  [4] or outside a cylindrical shock  tube  [5]. While experiments whereby  the 

headform and helmet were placed  inside a  conical  shock  tube were  found  to  reasonably  replicate  free‐field 

environments, experiments with  the headform and helmet  located  in  the exit  jet of a  cylindrical  shock  tube 

demonstrated significant deviations from free‐field blast [6]. These studies did not, however, report any data on 

the  inertial  response of  the headform  itself  (linear or angular accelerations), which are  the metrics of choice 

when evaluating or comparing the effectiveness of helmets. 

To address this gap, the present study directly compares the dynamic responses of the same headform to 

equivalent (similar static overpressure and blast impulse) shock tube and free‐field explosive blast loading. This 

preliminary  study  focuses  on  unprotected  headforms  to  provide  baseline  data  towards  eventual  blast 

attenuation performance evaluations of helmets.

S. Maach (e‐mail: [email protected]; tel: +1‐613‐947‐7534) is Director, B. von Rosen is a Senior Researcher and L. McCauley is a Senior Technologist, all at the Canadian Explosives Research Laboratory (CanmetCERL), Natural Resources Canada. J. Levine is a Research Engineer and J. P. Dionne is Director of Research Engineering at Med‐Eng, Ottawa, Canada. 

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-274-

Page 2: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

II. METHODS 

Head Surrogate 

Similar to previous studies relying on shock tubes to reproduce shock waves [7] and those using free‐field blast 

[8]  to evaluate helmets, an  instrumented and pre‐calibrated 50th percentile male Hybrid  III mannequin head 

and neck assembly (Humanetics, Denton, OH) was used in this study (Fig. 1). 

 

 Fig. 1. Hybrid III head and neck assembly used for the shock tube and free‐field explosive trials. 

 

Shock Tube Configuration 

The Hybrid III head and neck assembly was subjected to blast loading from a 0.30 m diameter shock tube, with a 

0.22 m  long driver  section  and  a 3.2 m driven  section  (Cadex,  St‐Jean‐sur‐Richelieu, Québec, Canada). Mylar 

sheets (Dupont Tejjin Films, Chester, VA) were used as rupture diaphragms to burst in such a way as to generate 

waves near  the  tube exit  that approximate  idealised  free‐field blast waves. The shock  tube was open‐ended, 

with the Hybrid III head and neck assembly secured 0.15 m away from the muzzle, measured from the base of 

the nose (Fig. 2 and Fig. 3). The neck orientation has been set at its standard 0° position. 

 

 

Fig. 2. Open‐ended shock tube used at CERL 

for these tests. 

Fig. 3. Location of the Hybrid III headform relative to the 

shock tube end. 

 

Free‐Field Blast Test Configuration 

Free‐field blast explosive testing was conducted outdoors, on a concrete pad (Fig. 4). A hemispherical charge of 

C4 high explosive was placed on a 0.075 m x 0.075 m x 0.013 m‐thick piece of high‐density polystyrene, which 

was placed on a 0.3 m x 0.3 m x 0.013 m‐thick piece of steel. The steel was placed on the ground (concrete pad). 

A Diped high‐strength detonator was  inserted  through  the  top of  the charge  into  its centre. The base of  the 

Hybrid III neck was bolted to the edge of a 296 kg steel pad (1.22 m x 2.44 m x 0.013 m) laid on a concrete floor. 

 

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-275-

Page 3: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

Fig. 4. Hybrid III head and neck assembly subjected to outdoors blast testing. 

 

Instrumentation 

A  set  of  orthogonal  linear  accelerometers  (PCB model  350B50  triaxial  accelerometer,  PCB, Depew, NY) was 

placed  inside  the  headform  as  shown  in  Fig. 5.  Reference  piezo‐electric  static  overpressure  sensors 

(PCB 137A23, Depew, NY) held in a pencil gauge were also used to capture the static overpressure wave details, 

for both the shock tube (prior to the tests with the headform) and free‐field (simultaneously with the headform 

test) configurations. 

The  PCB  sensor  data  (pressure  and  acceleration)  was  acquired  at  a  rate  of  100 kHz  using  a  Yokogawa 

(SL1000, Newnan, GA) data acquisition system. The mannequin data was filtered according to the established 

SAE‐J211  standard  [9].  Specifically,  the  head  acceleration  data  was  processed  with  a  CFC  1000  filter.  The 

pressure data was not filtered. All collected traces were zeroed based on the first 100 data points, and the data 

was collected  for 150 ms  in  the  shock  tube  tests  (including 5 ms of pre‐trigger), and 300 ms  in  the  free‐field 

blast tests (including 30 ms of pre‐trigger). 

In parallel, a high‐speed camera (NAC GX‐8, Japan) recorded the head excursion in both set‐ups (Fig. 6) at a 

rate  of  2,500  frames  per  second.  The  head  displacement  was  tracked  and  analysed  using  the  ProAnalyst 

tracking system package (XCitex, Woburn, MA). 

 

  

 

Fig. 5. Triaxial cluster of linear accelerometers shown 

inside the headform. 

Fig. 6. High‐speed camera set‐up (NAC GX‐8) used for 

both shock tube and free‐field blast testing. 

 

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-276-

Page 4: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

Matching Free‐Field Explosive and Shock Tube Static Blast Parameters 

Static blast parameters (peak incident overpressure, peak incident impulse) were measured for the shock tube 

configuration, without the headform, to avoid any undue distortion of the pressure field. The tube driver was 

pressurised  with  ultra  dry  compressed  air  until  the  diaphragm  (three  layers  of  Mylar)  ruptured,  at 

approximately 530 kPa.  For  this baseline  test,  a piezo‐electric pressure  transducer was  located 0.15 m  away 

from the muzzle, along the longitudinal axis of the tube. The shock tube was fired and overpressure data were 

recorded. 

The Blast Effects BEC computer software [10], based on the Kingery‐Bulmash equations [11], was used in an 

iterative fashion to estimate the mass of explosive and the range required to replicate the pressure and impulse 

measured outside the shock tube. The explosive was modelled as a hemisphere, placed on the ground, with a 

TNT equivalency of 1.3 for both pressure and impulse. 

A first arena test was performed using the mass of explosive and range calculated with the BEC. The static 

overpressure was measured using  the same pencil gauge used  in  the shock  tube  test. After  the  test,  the BEC 

was used (iteratively) to determine the actual TNT equivalency of the C4 explosive used, based on the resulting 

overpressure trace and associated  impulse. Using the revised TNT equivalencies (1.3 for overpressure and 0.8 

for  impulse), the required mass and range were recalculated. A single  iteration of this procedure resulted  in a 

blast  configuration  with  peak  static  overpressure  and  peak  blast  impulse  reasonably  matching  the  values 

measured for shock tube cases. The resulting blast parameters are summarised in Table I. An explosive charge 

mass of 0.080 kg is representative of typical anti‐personnel blast mines, which range from 28 g to 240 g of TNT. 

The resulting overpressure and blast impulse traces are illustrated in Fig. 7 and Fig. 8, respectively. 

 

TABLE I MEASURED STATIC BLAST PARAMETERS 

 

Configuration Peak Overpressure 

(kPa) 

Peak Blast Impulse 

(kPa‐ms) 

Shock Tube – Baseline Test 

(Driver at 515 kPa, 3 Mylar) 112  31.2 

Free‐Field Blast – Test 1 

(0.080 kg C4, 1.43 m standoff) 129  34.7 

Free‐Field Blast – Test 2 

(0.080 kg C4, 1.43 m standoff) 102  32.5 

Free‐Field Blast – Test 3 

(0.080 kg C4, 1.43 m standoff) 92  30.4 

Free‐Field Blast – Test 4 

(0.080 kg C4, 1.43 m standoff) 128  32.8 

 

 

 

 

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-277-

Page 5: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

Fig.  7.  Static  overpressure  traces  for  shock  tube (baseline test) and free‐field blast testing (Test 2).

Fig. 8. Blast impulse traces (integration of traces from Fig. 7) for shock tube and free‐field blast testing.

III. RESULTS 

Head Acceleration Measurements 

For  the purpose of  this study,  three  shock  tube  trials  (all  in  the  same configuration) and  four  free‐field blast 

trials  (also  all  in  the  same  configuration)  were  conducted.  Figures 9  and  10  provide  the  Hybrid  III  head 

acceleration traces measured for the shock tube and free‐field blast cases, respectively, in the global X‐direction 

(headform antero‐posterior direction). These figures show that the main portion of the acceleration signals  is 

contained within the first two milliseconds of the traces. 

 

Fig. 9. Hybrid III head acceleration traces in the X‐direction (antero‐posterior direction) for the shock tube configuration.

Fig. 10. Hybrid III head acceleration traces in the X‐direction (antero‐posterior direction) for the free‐field blast configuration.

 

   

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-278-

Page 6: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

Figure  11  compiles  the  resultant  peak  head 

accelerations  for  all  tests  conducted.  No  significant 

differences in peak resultant accelerations were found 

between  the  shock  tube  and  the  free‐field  test 

(p=0.01).  Figure 12  compares  the  headform  X‐

direction acceleration histories for selected shock tube 

(Test 1)  and  free‐field blast  (Test 2). While  there  is  a 

reasonable match  in  the earlier portion of  the  signal 

(up  to  approximately  1.5 ms),  the  acceleration  trace 

remains  higher  afterwards.  The  difference  between 

the two configurations in terms of the entirety of head 

inertial  signal  history  is  further  evidenced  by  the  X‐

direction  velocity  as  obtained  from  integrating  the 

acceleration  signals  (Fig. 13).  Therefore,  despite  the 

similar blast exposure  in  terms of  static overpressure 

and blast  impulse highlighted  in Fig. 7 and Fig. 8,  the 

shock tube and free‐field blast experiments  induced a 

substantially  different  headform  velocity  response 

when considering the entire event duration. 

  

Fig. 11. Hybrid III head acceleration traces in the X‐

direction (antero‐posterior direction) for the free‐field 

blast configuration. 

 

Fig. 12. Comparison of Hybrid III head acceleration traces in the X‐direction (antero‐posterior) for the shock tube configuration (Test 1) and the free‐field blast configuration (Test 2).

Fig. 13. Comparison of Hybrid III head velocity traces in the X‐direction (antero‐posterior) for the shock tube configuration (Test 1) and the free‐field blast configuration (Test 2).

 

Head Kinematics from High‐Speed Camera 

There was no discernible head movement for free‐field blast scenarios, as evidenced by Fig. 14; this, however, 

was not the case for the shock tube tests (Fig. 15) which exhibits both a head displacement and head rotation. 

The total head excursion path and the displacements‐time history for the first 100 ms are shown in Fig. 16 and 

Fig. 17,  respectively. The peak displacements  (Fig. 17) occurred at about  t=60 ms, which  is  significantly  later 

than  the  passage of  the main phase  of  the  shock wave  (2 ms),  as depicted  in  Fig. 7. Head motion  data  are 

expressed in the global frame of reference and in the plan of the headform sagittal plane. 

 

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-279-

Page 7: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

  Fig. 14. Still images from the high‐speed camera showing the headform at rest (0 ms), 30 ms and 60 ms, for a 

free‐field blast case (Test 2). 

 

Fig. 15. Superimposed still images of the start and maximum excursion of the head (left) for the shock tube 

configuration (Test 1). Centre of gravity travel path is plotted on an image (right) of the headform in the start 

position for the same test. 

 

 

Fig. 16. Head excursion from the high‐speed camera and analysed with the ProAnalyst motion tracking system package (Shock Tube – Test 1).

Fig. 17. Head displacements with respect to time for both the X (antero‐posterior) and Z (bottom to top) directions from the high‐speed camera, and analysed with the ProAnalyst motion tracking system package (Shock Tube – Test 1).

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-280-

Page 8: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

 

A direct comparison between the accelerometer data and the high‐speed video data was not possible, since 

the  parameters  measured  are  different  (acceleration  vs.  displacement).  However,  in  both  cases, 

transformations were made to express both sets of data in terms of head velocities. In the accelerometer data 

case,  the  X‐direction  acceleration  time  history  was  integrated.  For  the  shock  tube  case,  the  X‐direction 

displacement  data  was  first  smoothed  using  a  16‐point moving  average  and  then  differentiated  to  obtain 

velocity. The two resulting velocity curves are shown  in Fig. 19.  It can be seen that the high‐speed video data 

appropriately  captured  both  the  acceleration  and  the  deceleration  phases,  as  visible  from  the  close match 

between the two velocity curves, which provides a rationale for the use of high‐speed camera data. 

 

Fig. 18. Smoothing of the X‐direction head excursion data captured by the high‐speed camera using a 16‐point moving average, for a shock tube test (Test 1).

Fig. 19. Comparison of headform X‐velocity traces (Shock Tube – Test 1) obtained by integrating the accelerometer signal, and by differentiating the curve fit from Fig. 18 for the high‐speed video displacement data.

 

IV. DISCUSSION 

Our data demonstrated that the initial portion (first two milliseconds) of the head kinematic response under 

the shock tube configuration (0.15 m away from the muzzle) was similar to the free‐field explosive blast loading 

configuration  (Fig. 12  and  Fig. 13).  The  noted  head  kinematic  response  similarity  (in  x‐direction  acceleration 

traces  and  peak  head  accelerations)  is  consistent with  the  static  peak  overpressure  and  the  peak  impulse 

similarities within  the corresponding  first  two milliseconds of  the signals at most  (Fig. 7 and Fig. 8). However, 

beyond this time window, large deviations in head displacement were noted between the shock tube and free‐

field  blast  configurations.  These  deviations were  evidenced  by  high‐speed  video  analysis  and  by  integrating 

acceleration data over a  longer portion of the signals (Fig. 13). The time window during which the shock tube 

static pressure data closely matches the equivalent  free‐field data  is expected to vary depending on the blast 

strength. 

The  fact  that  the  head  kinematics  response  differed  in  the  two  configurations,  despite  the  static 

overpressure and peak impulse being approximately matched, suggests that other blast parameters come into 

play.  In  this  regard,  Josey  et  al.  [12], who  had  simulated  free‐field  pressure‐time  histories  using  the  DRDC 

Advanced Blast Simulator (ABS), suggested that the dynamic pressure must also be matched in the shock tube 

testing to generate a pressure field representative of a free‐field blast. 

However, the Josey et al. study [12] focused only on field pressure measurements and did not consider the 

effects of  the  loading on  a headform.  The  current  study was  aimed  at  addressing  this  gap by  introducing  a 

Hybrid  III  headform  and  neck  assembly  as  a  test  surrogate,  so  that  parameters  of  relevance  to  helmet 

performance testing could be considered. The head responses measured  in the current work did confirm that 

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-281-

Page 9: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

matching  the  peak  static  overpressure  and  peak  impulse was  necessary,  but  not  sufficient  to  appropriately 

model free‐field explosive blast loading, which confirms the observations of Josey et al. [12]. 

Shock tubes may also be used towards the investigation of blast‐induced brain injury mechanisms employing 

animal models. Our study showed that even if the peak static pressure and impulse are representative of free‐

field blast,  the head  kinematics occurring  later during  the event were not. This  late  kinematics behaviour  is 

expected  to  introduce an artificial  secondary  inertial  loading at  the neck  level  (not measured  in  the present 

study).  If,  in  the  course  of  its  movement,  the  head  collides  with  rigid  components  of  the  test  jig,  the 

compounding effect on  the brain  cannot be delineated  from  the more  representative  initial  response of  the 

head. This issue has been demonstrated by Needham et al. [6] in tests whereby the head of a rat held near the 

shock tube exit and perpendicular to the flow, made a violent focal impact against the rim of the canister that 

was holding the rat in place. 

Furthermore,  on  the  basis  of  the  data  presented  in  this  work,  it  can  be  hypothesized  that  locating  a 

headform  outside  of  a  shock  tube  is  unlikely  to  be  appropriate  for  injury  investigations,  unless  it  could  be 

demonstrated that only the initial loading (first few milliseconds) is of relevance towards injury. 

The Hybrid III headform used in the current study is not fully biofidelic. For instance, it does not contain any 

internal head  features  (e.g. materials representative of brain tissues), and  its neck has not been validated  for 

blast exposure. Yet, given  its representative mass, mass balance and overall size, the Hybrid III neck and head 

assembly proved useful to illustrate the importance of matching the kinematic head loading towards validation 

of shock tube test apparatuses aimed at evaluating helmet performance. The authors believe that a shock tube 

apparatus  that  generates Hybrid  III  headform  loading  in  line with  free‐field  explosive  blast  loading will  also 

generate representative blast loading for more advanced head surrogates and biological models. 

While the ultimate objective of this work is to develop a test method for the blast attenuation performance 

of helmets, only an unprotected Hybrid  III headform was  tested. The authors believe  that helmet  testing can 

only be  relevant  if pressure  fields sufficiently  representative of  free‐field explosive blast can be  replicated by 

shock tube apparatuses. 

V. CONCLUSIONS 

The present study has demonstrated  that while  the pressure  field outside of a shock  tube can be  tuned  to replicate the static peak overpressure and peak  impulse of a free‐field explosive blast, the kinematic response of a Hybrid III headform in that flow field did not correspond to the free‐field blast case, especially in terms of head  displacement  and  head  velocity,  beyond  the  first  few milliseconds.  It  was  therefore  concluded  that matching the static pressure measurements (peak pressure, peak impulse) is necessary, but not sufficient for a shock tube to appropriately replicate the pressure fields generated by a high explosive charge detonated in the free‐field. Accounting for the dynamic pressure may be more appropriate. 

VI. ACKNOWLEDGEMENTS 

The authors wish to thank Mr Rick Guilbault  (CanmetCERL) for his assistance with setting up the tests and 

conducting  the  high‐speed  video  analysis,  as well  as Mr Doug Bueley  (Med‐Eng)  for  his  assistance with  the 

instrumentation of the Hybrid III headform. 

 

VII. REFERENCES  

[1] ASTM F‐1446, Standard Test Methods for Equipment and Procedures Used  in Evaluating the Performance Characteristics of Protective Headgear, ASTM, Pennsylvania 19428‐2959. 

[2] Riot Helmets and Faceshield Protection, Canadian Standards Association Z611‐02, August 2002. [3] "FRONTIERS  IN HEAD AND NECK  TRAUMA, Clinical  and Biomechanical", N.  Yoganandan  et  al.  (Eds.),  IOS 

Press, OHMSHA (c) 1998 () [4] Carneal, C., et al.  (2016) Development of a Laboratory Shock Tube System  for Helmet Blast Overpressure 

Performance Assessment. Proceedings  from  the Personal Armour  Systems  Symposium  (PASS),  September 2016, Amsterdam, Netherlands. 

[5] Yu, A., et al. (2014)  In vs. Out: Controversies  in Shock Tube Blast Experiments. Proceedings from the 2014 Personal Armour Systems Symposium (PASS), September 2014, Cambridge, UK. 

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-282-

Page 10: Comparison of Hybrid III head response to shock tube and ... · Comparison of Hybrid III head response to shock tube and explosive blast loading Samuel Maach, Bert von Rosen, Lorne

[6] Needham, C. E., Ritzel, D., Rule, G. T, Wiri, S. and Young L. (2015) Blast testing issues and TBI: experimental models that lead to wrong conclusions. Frontiers in Eurology, 6(72): pp.1–10. 

[7] Bass, C. R., et al. (2005) A Methodology for Assessing Blast Protection in Explosive Ordnance Disposal Bomb Suits. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics, 11(4): pp.347–36. 

[8] Haladuick,  T.,  et  al.  (2012) Head  Kinematics  Resulting  from  Simulated  Blast  Loading  Scenarios.  Personal Armour Systems Symposium (PASS), 2012, Nuremberg, Germany. 

[9] Instrumentation for Impact Test, Part 1, Electronic Instrumentation, SAE J211‐1, 1995. [10] Department of Defense Explosives Safety Board (2008) Blast Effects Computer, version 6.3.1. [11]  Kingery, C. N. and Bulmash, G. (1984) Airblast parameters from TNT spherical air burst and hemispherical 

surface burst, ARBRL‐TR‐02555. Ballistic Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, MD, USA. [12]  Josey, T., Sawyer, T. W., Ritzel, D., Donahue, L. (2016) High Fidelity Simulation of Free Field Blast Loading: 

The  Importance of Dynamic Pressure. Proceedings  from  the Personal Armour Systems Symposium  (PASS), September 2016, Amsterdam, Netherlands. 

 

IRC-17-44 IRCOBI Conference 2017

-283-